Naukowcy być może rozwiązali kosmiczną tajemnicę, która niepokoi ich od czasu rozpoczęcia obserwacji przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) w 2022 roku.
Kiedy astronomowie zaczęli spoglądać wstecz na początki Wszechświata za pomocą najnowocześniejszego obserwatorium, odkryli supermasywne czarne dziury które wydają się powstały przed osiągnięciem przez Wszechświat wieku 1 miliarda lat, czego nie potrafią wyjaśnić nasze obecne modele kosmosu. Jednak nowe badania wykazały, że „szaleństwo” czarnej dziury może wyjaśniać, w jaki sposób te kosmiczne potwory narodziły się na tak wczesnym etapie historii wszechświata.
„Odkryliśmy, że chaotyczne warunki panujące we wczesnym Wszechświecie spowodowały, że wczesne, mniejsze czarne dziury przekształciły się w supermasywne czarne dziury, które widzimy później, w odpowiedzi na szaleństwo żerowania, które pochłonęło całą otaczającą je materię” – powiedział w oświadczeniu kierownik badań Daxal Mehta z Maynooth University. „Wykorzystując najnowocześniejsze symulacje komputerowe, ujawniliśmy, że pierwsza generacja czarnych dziur – tych, które powstały zaledwie kilkaset milionów lat po Wielki Wybuch rosła niewiarygodnie szybko, osiągając dziesiątki tysięcy rozmiarów naszego Słońca.”
Przeprowadzając złożone symulacje komputerowe, zespół naukowców odkrył, że burzliwe i bogate w gęsty gaz warunki panujące w pierwszych galaktykach mogły pozwolić czarnym dziurom na wejście w krótkie fazy megaobżarstwa, przekraczające barierę znaną jako „granica Eddingtona”. Limit ten określa, ile materiału może spaść na ciało takie jak gwiazda lub czarna dziura, zanim promieniowanie generowane przez tę akrecję odepchnie materię dalej, opróżniając spiżarnię centralnego obiektu z gazu i pyłu, odcinając w ten sposób dopływ pożywienia.
Okresy superkonsumpcji, które przekraczają tę granicę, nazywane są „akrecją super-Eddingtona” i służą jako brakujące ogniwo między czarnymi dziurami, które powstają, gdy masywne gwiazdy umierają eksplozje supernowych i potworne supermasywne czarne dziury.
Supermasywne czarne dziury o masach milionów, a nawet miliardów mas Słońca znajdują się w sercach wszystkich dużych galaktyk we współczesnym wszechświecie liczącym 13,8 miliarda lat, co nie jest wcale trudne do wyjaśnienia, ponieważ miały mnóstwo czasu na urosnięcie.
Problem polega na odkryciu supermasywnych czarnych dziur już 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu, a populacji JWST rutynowo odkrywa przez ostatnie trzy i pół roku. Dzieje się tak dlatego, że uważa się, że procesy łączenia i zasilania, które, jak się uważa, umożliwiają czarnym dziurom osiągnięcie statusu supermasywnego, trwają co najmniej 1 miliard lat.
„To tak, jakby rodzina spacerowała ulicą i miała dwójkę mierzących ponad metr osiemdziesiąt nastolatków, ale jednocześnie towarzyszyło im mierzące ponad sześć stóp małe dziecko” – powiedział wcześniej Space.com członek zespołu badawczego i naukowiec z Maynooth University, John Regan. „To mały problem. Jak maluch urósł tak wysoki? To samo dotyczy supermasywnych czarnych dziur we wszechświecie. Jak stały się tak masywne w tak krótkim czasie?”
Symulacje zespołu sugerują, że szaleństwo żerowania super-Eddingtona mogło pozwolić pierwszej generacji czarnych dziur na pożeranie gęstego gazu wczesnego kosmosu, aby osiągnąć masy dziesiątki tysięcy mas Słońca. Choć nie prowadzi to nas do supermasywnych czarnych dziur, zapewnia jednak znaczącą przewagę w procesie łączenia, w wyniku którego czarne dziury o coraz większych rozmiarach zderzają się i łączą, tworząc jeszcze masywniejszą czarną dziurę.
„Wcześniej uważano, że te maleńkie czarne dziury są zbyt małe, aby wyrosnąć na gigantyczne czarne dziury obserwowane w centrach wczesnych galaktyk” – powiedział Mehta. „Pokazaliśmy tutaj, że te wczesne czarne dziury, choć małe, mogą spektakularnie szybko rosnąć, jeśli zapewnione zostaną odpowiednie warunki”.
Badania zespołu mogą pomóc naukowcom w ustaleniu, czy wczesne supermasywne czarne dziury na początku były „lekkimi nasionami” o masie od dziesięciu do kilkuset razy większej od masy naszego Słońca, czy też „ciężkimi nasionami” o masie aż 100 000 mas Słońca. Wcześniej wysunięto teorię, że tylko ciężkie nasiona będą wystarczająco masywne, aby ułatwić szybki rozwój supermasywnych czarnych dziur.
„Teraz nie jesteśmy już tego tacy pewni” – stwierdziła Regan. „Ciężkie nasiona są nieco bardziej egzotyczne i do powstania mogą potrzebować rzadkich warunków. Nasze symulacje pokazują, że czarne dziury o masach gwiazdowych typu „ogrodowego” mogą rosnąć w ekstremalnym tempie we wczesnym wszechświecie”.
Badania zespołu nie tylko sugerują nową drogę wzrostu supermasywnych czarnych dziur, ale pokazują także, jak ważne są symulacje w wysokiej rozdzielczości w naszych badaniach wczesnego kosmosu.
„Wczesny Wszechświat jest znacznie bardziej chaotyczny i burzliwy, niż się spodziewaliśmy, z dużo większą populacją masywnych czarnych dziur, niż się spodziewaliśmy” – powiedziała Regan.
Jeśli chodzi o zbieranie dowodów potwierdzających tę teorię, może to być zadanie nie dla JWST ani żadnego innego tradycyjnego urządzenia astronomicznego, ale dla instrumentów zaprojektowanych do wykrywania drobnych zmarszczek w przestrzeni, znanych jako fale grawitacyjne, które emitują takie połączenia. Szczególne znaczenie może mieć pierwszy umieszczony w przestrzeni kosmicznej detektor fal grawitacyjnych, laserowa antena interferometryczna (LISA), złącze Europejska Agencja Kosmiczna/ Misja NASA ma wystartować w 2035 roku.
„Przyszłe obserwacje fal grawitacyjnych z tej misji mogą pozwolić na wykrycie łączenia się tych małych, wczesnych, szybko rosnących młodych czarnych dziur” – podsumowała Regan.
Wyniki badań zespołu opublikowano w środę (21 stycznia) w czasopiśmie Astronomia przyrodnicza.
